滑冰是一種非常高雅的運(yùn)動(dòng)，相信大家一定都有所了解。我們都知道滑冰需要穿上滑冰鞋，而滑冰鞋的底部都會(huì)裝上尖利的冰刀，那么為什么滑冰鞋上要裝冰刀？其實(shí)滑冰鞋這樣的設(shè)計(jì)是有著一定科學(xué)原理和根據(jù)的，下面就和小編一起來(lái)了解一下其中的原因吧。

　　為什么滑冰鞋上要裝冰刀？

　　我們行走靠的是鞋與地面間的摩擦力，沒(méi)有摩擦力就寸步難行。而對(duì)于滑冰來(lái)說(shuō)，摩擦力越小就滑得越順暢。冰刀既能夠在啟動(dòng)和加速階段快速獲得前進(jìn)動(dòng)力，又可以降低滑行時(shí)的摩擦力，并保持穩(wěn)定。

　　不過(guò)，冰和冰刀都是固體，它們之間摩擦力為什么很小呢？如果在固體與固體之間鋪上一層流體，會(huì)大大降低摩擦，潤(rùn)滑油的工作原理即基于此。科學(xué)家對(duì)冰刀和冰面的接觸面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摩擦力很小的原因是，在冰刀與冰面之間存在一層水膜，它起到了潤(rùn)滑的作用。

　　最初，人們認(rèn)為冰刀與冰面之間的水來(lái)源于固液相變：冰在高壓下變成了水。但后來(lái)人們知道，當(dāng)溫度低于-22℃時(shí)，無(wú)論多么大的壓力都不會(huì)使冰融化，只會(huì)從一種相態(tài)的冰變?yōu)榱硪环N相態(tài)的冰，而不會(huì)變?yōu)樗？蓪?shí)際情況是，即使在-30℃的低溫下人們?nèi)钥梢宰杂勺栽诘鼗@又是為什么呢？

　　后來(lái)人們認(rèn)識(shí)到，即使在熔點(diǎn)之下，自然狀態(tài)下的冰表面也存在一層液狀膜，這種現(xiàn)象稱為表面融化。離熔點(diǎn)越近，這種液狀膜越厚。在-35～0℃之間，液狀膜厚度約10納米。當(dāng)然雜質(zhì)的存在也會(huì)影響液狀膜的厚度。比如，鹽的存在會(huì)使液狀膜變厚。

　　那為什么會(huì)存在這層液狀膜呢？2004年，兩位日本科學(xué)家用分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)此進(jìn)行了解釋。冰內(nèi)部水分子的各個(gè)方向都受到相鄰分子力的作用，所以形成了穩(wěn)定的晶格。而位于表面的水分子由于一側(cè)暴露，受力不穩(wěn)定，不易形成規(guī)則的晶格，而是趨于無(wú)定形的形態(tài)，即液狀膜。從分子熱運(yùn)動(dòng)角度講，水分子在其平衡位置附近振動(dòng)，由于冰表面分子受力不穩(wěn)定，其振動(dòng)幅度要比內(nèi)部分子的振動(dòng)幅度大，這種振動(dòng)幅度的差別在靠近熔點(diǎn)時(shí)越來(lái)越大，所以越接近熔點(diǎn)液狀膜越厚，性質(zhì)越接近純液態(tài)水。

　　根據(jù)目前的研究結(jié)果，水膜的形成原因有三種：高壓融化、摩擦加熱、冰表面存在液狀膜。不同溫度下，這三種機(jī)制對(duì)膜形成的貢獻(xiàn)會(huì)有所不同。當(dāng)溫度很接近冰的熔點(diǎn)時(shí)（比如大于-3.5℃），高壓融化的貢獻(xiàn)是最大的；當(dāng)溫度離熔點(diǎn)很遠(yuǎn)時(shí)（比如-30℃），摩擦加熱的貢獻(xiàn)是最大的；當(dāng)溫度離熔點(diǎn)較遠(yuǎn)且靜止不動(dòng)時(shí)，液狀膜的貢獻(xiàn)是最大的。正是因?yàn)楸杜c冰面間存在這層水膜，才讓人們?cè)跇O低的溫度下也可以順暢地滑冰。